Elektrownia wiatrowa - cz. II

Najbardziej ekonomiczne rozwiązanie to wytwarzanie prądu przemiennego, zsynchronizowanego z prądem sieciowym. W nowoczesnych turbinach synchronizacja zapewniona jest przez układ automatyki.

Zalety przydomowej elektrowni wiatrowej:

• przy „dobrych wiatrach” wytworzony prąd może bezpośrednio zasilać instalację domową i całkowicie lub częściowo zastąpić prąd pobierany z sieci;
• przy „bardzo dobrych wiatrach” część prądu jest kierowana do instalacji (zgodnie z zapotrzebowaniem danego obiektu na prąd), natomiast nadwyżka, po przekształceniu na prąd stały, może zostać zmagazynowana i wykorzystana podczas dni bezwietrznych.

Skąd się bierze prąd?

Napędzane przez wiatr łopatki obracają się z pewną prędkością obrotową. Ilość obrotów wirnika jest odczytywana przez układ przetwornikowy (umieszczony w głowicy wirnika) i przeliczana na prąd elektryczny. Wirnik turbiny przekształca energię wiatru w energię mechaniczną, napędza generator prądu. Może on zasilać instalację domową lub umożliwiać ładowanie akumulatora (magazynu energii) aż do stanu nasycenia – wówczas ładowanie jest przerywane. Kiedy część zmagazynowanej energii zostaje zużyta, proces ładowania rozpoczyna się ponownie.

Najważniejsze dla dobrej pracy przydomowej elektrowni wiatrowej są:

• odpowiednia budowa wirnika, a szczególnie kształt łopatek, decydujące o efektywnym wykorzystaniu energii wiatru;
• alternator (generator), który wytwarza prąd zmienny bez marnowania energii, nie nagrzewa się (dzięki czemu jest bardziej trwały) i pracuje bezawaryjnie;
• sprawny układ elektroniki (prostownik, regulator), zapewniający przekształcenie prądu zmiennego na prąd stały z bardzo małymi stratami;
• zaawansowane elementy kontrolne, które zapewnią skuteczną, bezpieczną i stabilną pracę (kontrola prędkości obrotowej łopatek, kontrola zapotrzebowania na prąd, kontrola stanu akumulatora);
• akumulator, w którym będzie można magazynować energię.

Elektrownie wiatrowe mają pięć trybów pracy (stanów), które charakteryzują się odpowiednimi prędkościami obrotowymi oraz typowymi zachowaniami alternatora i akumulatora.

• stan jałowy – turbina odłączona jest od akumulatorów, a generator pracuje bez obciążenia. Jest to bardzo niepożądany tryb pracy, turbina jest wyhamowywana, a jej możliwości są marnowane;
• ładowanie (normalny stan obciążenia) – turbina podłączona jest do akumulatora, który wymaga ładowania. Łopatki turbiny obracają się zgodnie z prędkością wiatru, a jego energia jest przekształcana na energię elektryczną;
• stan nasycenia (regulacji) – kończy się ładowanie akumulatora, gdyż jego napięcie osiąga wartość zadaną. Układ regulacji powoduje, że niezależnie od prędkości wiatru łopatki obracają się coraz wolniej, aż wreszcie zatrzymują się;
• hamowanie – jeśli prędkość obrotowa turbiny przekroczy wartość bezpieczną, regulator powoduje zmniejszenie tej prędkości aż do zatrzymania. Tryb hamowania pojawia się zazwyczaj przy zbyt dużej prędkości wiatru;
• zatrzymanie – osiągane dzięki zwarciu lub ręcznemu zatrzymaniu turbiny za pomocą odpowiedniego przełącznika. Prędkość obrotowa łopatek jest bardzo mała – jak dla wiatru o prędkości mniejszej od prędkości startowej – nie ma produkcji energii.
  Stan regulacji i hamowania powinien być sygnalizowany przez sygnały świetlne (najczęściej diody LED).

Jak wybierać turbinę wiatrową?
Podstawowym parametrem jest moc nominalna w [kW] – moc, którą osiągnie turbina przy określonej prędkości wiatru (np. 10 m/s). Aby zobaczyć, jak zachowa się turbina przy innych prędkościach wiatru, należy przestudiować charakterystykę turbiny, czyli wykres zależności mocy od prędkości wiatru. Wraz z mocą, której może dostarczyć mała elektrownia przydomowa, rosną z jednej strony możliwości oszczędzania energii elektrycznej, ale też i wymiary turbiny (średnica wirnika, ciężar, wymagana wysokość masztu) oraz oczywiście cena.

Wybór rozwiązania optymalnego, rozwiązania „na miarę” jest sprawą indywidualną i wymaga uwzględnienia szeregu czynników. Powinien zostać uzgodniony z projektantem, który zaproponuje nie tylko moc nominalną, ale też pomoże określić możliwe zyski w skali roku. Nasz wybór, często wspomagany przez projektanta, powinien opierać się także o cechy, którymi charakteryzują się poszczególne elementy elektrowni.

Na co zwrócić uwagę, wybierając turbinę wiatrową:

• prędkość startowa (określana czasem jako „rozruch”) w m/s – powinna mieścić się w przedziale 2-4 m/s. Zbyt niska wartość może się wydać kusząca, ale jednocześnie powinna wzbudzić nieufność inwestora;
• kąt natarcia łopatki w stopniach – im wyższy, tym mniejsza prędkość startowa, bardziej stabilna i cicha praca oraz zabezpieczenie przed drganiami;
• materiał korpusu wirnika – powinien być wykonany z materiału o dużej wytrzymałości i wysokiej izolacyjności. Najlepiej sprawdzają się korpusy aluminiowe lub z laminatu poliestrowo-szklanego;
• ułożyskowanie kierunkowe – jeśli producent zapewnia ten typ ułożyskowania korpusu turbiny, oznacza to, że praca turbiny jest w mniejszym stopniu zależna od kierunku wiatru – korpus dostosowuje się do aktualnego kierunku;
• elektronika – czy dostępne są funkcje: kontroli silnych wiatrów, regulacji napięcia, zwiększenia napięcia przy małej prędkości obrotowej.

Nasze zyski i nakłady

Trwałość przydomowej elektrowni wiatrowej to około 20-25 lat. Gwarancja producenta (od roku do pięciu lat, najczęściej trzy) zazwyczaj obejmuje turbinę. Powinniśmy dowiedzieć się, jakie są warunki gwarancji na montaż (oczywiście przeprowadzony przez autoryzowaną ekipę). Jak w przypadku wielu urządzeń, gwarancja wygasa w razie ingerencji użytkownika w system.

Jak określić możliwy zysk w kWh z turbiny wiatrowej? 

Ilość godzin w roku to 24 · 365 = 8760. Jeśli przemnożymy tę wartość przez moc nominalną, uzyskamy informację, jaki byłby nasz zysk, gdyby non stop wiał wiatr o optymalnym kierunku i prędkości właściwej dla mocy nominalnej. Ponieważ jest to warunek nie do spełnienia, należy założyć, że osiągniemy od 10 do 25% tej wartości. Jest to oczywiście wartość szacunkowa.

Przydomowa elektrownia wiatrowa wymaga przeglądu i kontroli. Najbezpieczniej dokonywać przeglądu raz do roku, choć producent powinien określić zalecaną częstotliwość kontroli. Po pewnym okresie użytkowania konieczna jest wymiana niektórych części i urządzeń. Ich żywotność również powinna być zadeklarowana przez producenta, pamiętajmy jednak, że w dużej mierze zależy od eksploatacji.